袁雨凡，高 朋，梅 杰，王 明，馮亞丹

(九江學(xué)院 機(jī)械與智能制造學(xué)院，江西 九江 332005)

0 引言

目前人們所使用的室外晾衣架多數(shù)為不能隨外界環(huán)境變化而自動(dòng)收縮的傳統(tǒng)類(lèi)型衣架，在下雨、下霧、陰天、夜晚、大風(fēng)或者高溫高熱天氣晾衣架沒(méi)有使晾曬在室外的衣物避雨、避露水、防暴曬及防脫落的功能[1]，且國(guó)內(nèi)對(duì)室外智能晾衣架智能防雨、防潮濕、防暴曬和防脫落的遮蔽系統(tǒng)研究較少。鑒于此，本文對(duì)室外智能晾衣架開(kāi)展研究，將智能晾衣架及遮蔽系統(tǒng)很好地結(jié)合到一起，達(dá)到智能晾曬衣物的目的。

1 智能晾衣架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 晾衣架的整體結(jié)構(gòu)及功能

本文設(shè)計(jì)的晾衣架三維模型如圖1所示，由傳統(tǒng)手動(dòng)伸縮架1、擋雨架2、擋雨布3、防雨桶4、遮蔽系統(tǒng)電機(jī)5、滾珠絲杠6、平行四桿機(jī)構(gòu)7、齒輪組8、側(cè)板9和滾珠絲杠電機(jī)10等組成。遮蔽系統(tǒng)由正面的弧形擋雨布以及兩側(cè)與擋雨架輪廓相吻合的側(cè)板所組成，遮蔽系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以實(shí)現(xiàn)有效的防雨、防霧、防風(fēng)、防脫落和防暴曬的功能。根據(jù)智能晾衣架的功能要求，為了在下雨、下霧、風(fēng)力過(guò)大或者高溫高熱天氣時(shí)衣物能夠自動(dòng)收回并且遮蔽系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，本設(shè)計(jì)選用了溫度傳感器、濕度傳感器、光敏傳感器和風(fēng)速傳感器。當(dāng)天氣發(fā)生變化時(shí)，溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器或光敏傳感器[2]感應(yīng)并觸發(fā)產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)轉(zhuǎn)換使?jié)L珠絲杠電機(jī)10運(yùn)轉(zhuǎn)，絲杠拉動(dòng)伸縮架收回。伸縮架收回后，遮蔽系統(tǒng)電機(jī)5運(yùn)轉(zhuǎn)，隨后經(jīng)齒輪組和平行四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，鋼絲繩運(yùn)轉(zhuǎn)，拉動(dòng)擋雨布，使擋雨布展開(kāi)，同時(shí)兩側(cè)板關(guān)閉，以此實(shí)現(xiàn)遮擋雨水和防止大風(fēng)情況下衣物脫落的作用。當(dāng)天氣晴朗或風(fēng)變小時(shí)，各傳感器發(fā)出信號(hào)，單片機(jī)接收信號(hào)使各電機(jī)反轉(zhuǎn)，擋雨布在防雨桶里的發(fā)條彈簧作用力下自動(dòng)收回。此時(shí)，兩側(cè)板打開(kāi)，隨后絲杠帶動(dòng)伸縮架展開(kāi)，衣物重新恢復(fù)晾曬狀態(tài)。

1-伸縮架；2-擋雨架；3-擋雨布；4-防雨桶；5-遮蔽系統(tǒng)電機(jī)；6-滾珠絲杠；7-平行四桿機(jī)構(gòu)；8-齒輪組；9-側(cè)板；10-滾珠絲杠電機(jī)

本設(shè)計(jì)的晾衣架為三橫桿晾衣架，即有三根晾曬衣物的橫桿，橫桿選用電泳鋁合金材質(zhì)，滑槽是半層金屬材料直接開(kāi)槽，然后利用銷(xiāo)釘滑動(dòng)。采用上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本產(chǎn)品至少可以承受100 kg的重物，對(duì)于一款晾衣架來(lái)說(shuō)可遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足用戶的需要。

1.2 遮蔽裝置設(shè)計(jì)

圖2為遮蔽裝置合上的效果，兩側(cè)擋雨架1采用了弧形圓管設(shè)計(jì)，管壁厚為1.8 mm、直徑為20 mm。遮蔽系統(tǒng)分為前遮蔽系統(tǒng)(即擋雨布2)和側(cè)遮蔽系統(tǒng)(即側(cè)板3)，擋雨布卷在防雨桶內(nèi)，并分別與鋼絲繩5和發(fā)條彈簧4相連。當(dāng)遮蔽系統(tǒng)電機(jī)接收信號(hào)正轉(zhuǎn)時(shí)，鋼絲繩沿著絞盤(pán)6收縮，同時(shí)拉動(dòng)擋雨布展開(kāi)，擋住雨水；當(dāng)遮蔽系統(tǒng)電機(jī)接收信號(hào)反轉(zhuǎn)時(shí)，鋼絲繩松開(kāi)，在發(fā)條彈簧的作用下拉動(dòng)擋雨布收回。

1-擋雨架；2-擋雨布；3-側(cè)板；4-發(fā)條彈簧；5-鋼絲繩；6-絞盤(pán)

兩側(cè)安裝與擋雨架相配對(duì)的鋁板，當(dāng)擋雨布順著鋼絲繩合上時(shí)，遮蔽系統(tǒng)電機(jī)帶動(dòng)兩側(cè)板關(guān)閉，達(dá)到全方位的擋雨效果，從而保護(hù)衣物。

2 智能晾衣架主要傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

2.1 滾珠絲杠選型及關(guān)鍵參數(shù)

本晾衣架總共有三根晾衣橫桿，整個(gè)晾衣架的伸縮過(guò)程中只有這三根桿在同一水平面移動(dòng)，其他部分都在做曲線運(yùn)動(dòng)。故滾珠絲杠的螺母基座只能與三根橫桿相連接，滾珠絲杠的安裝位置如圖3所示。

圖3 滾珠絲杠安裝位置

本設(shè)計(jì)采用絲杠與第一根橫桿相連，完全展開(kāi)絲杠所需行程為220 mm。這里選擇SFU1204型滾珠絲杠，絲杠長(zhǎng)度為400 mm，滾珠絲杠具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 滾珠絲杠結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 齒輪組傳動(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)遮蔽裝置的功能要求,兩側(cè)各設(shè)計(jì)有一組齒輪組，分別帶動(dòng)兩側(cè)板的開(kāi)合。其中一側(cè)的齒輪嚙合如圖4所示，齒輪組機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。側(cè)擋雨板以合頁(yè)旋轉(zhuǎn)軸為軸心與平行四桿機(jī)構(gòu)3鉸接,四桿機(jī)構(gòu)中的一桿與Z9相連。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，遮蔽裝置電機(jī)2帶動(dòng)圓柱齒輪Z10轉(zhuǎn)動(dòng),Z10與Z11嚙合，并將轉(zhuǎn)速傳動(dòng)給Z6。Z6一邊通過(guò)Z7、Z8帶動(dòng)Z9運(yùn)動(dòng)，同時(shí)Z9帶動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)3運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)側(cè)擋雨板的開(kāi)合；另一邊通過(guò)Z5、Z4、Z3、Z2帶動(dòng)Z1轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)Z1帶動(dòng)鋼絲絞盤(pán)1旋轉(zhuǎn)，此時(shí)可以收縮或釋放鋼絲，實(shí)現(xiàn)擋雨布的展開(kāi)和收合。

1-鋼絲絞盤(pán)；2-電機(jī)；3-四桿機(jī)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,遮蔽裝置電機(jī)與Z10相連,這里遮蔽系統(tǒng)電機(jī)型號(hào)選擇57BYG250B，根據(jù)57式步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)，選擇電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為300 r/min，設(shè)計(jì)擋雨布完全展開(kāi)需要滑輪拉動(dòng)鋼絲繩轉(zhuǎn)25圈，側(cè)擋雨板開(kāi)閉需要使連接四桿機(jī)構(gòu)的Z9轉(zhuǎn)1/4圈，為了保證同時(shí)達(dá)到遮蔽效果，這兩種操作同時(shí)完成，并要在5 s內(nèi)完成。

2.3 平行四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，這里采用平行四桿機(jī)構(gòu)ABCD來(lái)帶動(dòng)側(cè)板關(guān)閉，其三維示意圖如圖6所示。AB、BC為兩相鄰桿，根據(jù)平行四桿機(jī)構(gòu)對(duì)稱性，C點(diǎn)和側(cè)板轉(zhuǎn)軸D點(diǎn)組成桿CD，D點(diǎn)和Z9輪心A點(diǎn)組成桿AD，這里不再特意畫(huà)出桿件。

平行四桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示，桿AD一端與Z9的軸相連，一端與側(cè)板的旋轉(zhuǎn)軸相連，CD桿與側(cè)板相連，用來(lái)帶動(dòng)側(cè)板的開(kāi)合。根據(jù)齒輪位置和齒輪板的尺寸以及保證四桿機(jī)構(gòu)不與電機(jī)和其他部件干涉，故設(shè)計(jì)AD=BC=50 mm，CD=AB=80 mm。

圖7 平行四桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)原理

3.1.1 自動(dòng)控制原理

天氣晴朗時(shí)，光敏傳感器檢測(cè)到信號(hào)并傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理反饋給步進(jìn)電機(jī)，由此衣服開(kāi)始實(shí)現(xiàn)自動(dòng)晾曬。當(dāng)室外天氣情況不適合晾曬衣物時(shí)，各傳感器將信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將采集到的信號(hào)傳送給滾珠絲杠步進(jìn)電機(jī)，促使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，由此遮蔽系統(tǒng)開(kāi)始工作，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人控制、自動(dòng)晾曬衣服的功能。

3.1.2 紅外系統(tǒng)控制原理

紅外遙控模塊采用的裝置是紅外一體接收探頭VS1838B[3]。紅外線接收器接收到來(lái)自遙控產(chǎn)生的紅外線信號(hào)，單片機(jī)接收載波信號(hào)并根據(jù)設(shè)定好的程序?qū)邮盏降男盘?hào)做出響應(yīng)，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而用戶可以遙控晾衣架、選擇是否收衣服或者設(shè)置衣服晾曬的時(shí)間。

3.2 控制系統(tǒng)流程

本控制系統(tǒng)的核心控制元件采用Arduino Mega 2560單片機(jī)[4]。傳感器選擇DHT11濕度傳感器、PT100溫度傳感器、光敏傳感器和光電式三杯風(fēng)力傳感器，分別實(shí)現(xiàn)防淋濕、天黑時(shí)收衣服、天晴時(shí)自動(dòng)晾曬以及高溫高熱天氣防暴曬和防脫落功能，控制系統(tǒng)工作流程如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)流程

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的智能晾衣架可以通過(guò)傳感器智能檢測(cè)天氣變化以此來(lái)實(shí)現(xiàn)晾衣架自動(dòng)伸縮以及防雨、防霧、防暴曬、防脫落的功能，不僅能夠解決惡劣天氣下不能及時(shí)收衣服的難題，而且成本較低，價(jià)格親民，是大部分家庭可以承擔(dān)得起的智能家具，因此有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。